▷ Teile eines Prozessors außen und innen: Grundkonzepte?

Sicher wissen wir alle ungefähr, was eine CPU ist, aber wissen wir wirklich , was die Teile eines Prozessors sind ? Jedes einzelne der wichtigsten Elemente, die erforderlich sind, damit dieses kleine Siliziumquadrat große Informationsmengen verarbeiten kann und die Menschheit in eine Zeit versetzt, in der es ohne elektronische Systeme ein komplettes Debakel wäre.

Prozessoren gehören bereits zu unserem täglichen Leben, insbesondere von Menschen, die in den letzten 20 Jahren geboren wurden. Viele sind völlig mit Technologie vermischt, ganz zu schweigen von den Kleinen, die ein Smartphone anstelle eines Laibs unter die Arme nehmen… In all diesen Geräten gibt es ein gemeinsames Element, einen Prozessor, der dafür verantwortlich ist, "Intelligenz" zu geben die Maschinen um uns herum. Wenn dieses Element nicht existieren würde, würden auch Computer, Handys, Roboter und Montagelinien, kurz gesagt, jeder Arbeit haben… aber es wäre unmöglich, dorthin zu gelangen, wo wir sie hergestellt haben, es gibt immer noch keine Welt wie "Matrix", aber alles wird gehen.

Inhaltsverzeichnis

Was ist ein Prozessor und warum ist es so wichtig?

Zunächst müssen wir uns bewusst sein, dass nicht nur ein Computer einen Prozessor enthält. Alle elektronischen Geräte enthalten ein Element, das als Prozessor fungiert, sei es eine Digitaluhr, ein programmierbarer Automat oder ein Smartphone.

Natürlich müssen wir uns auch darüber im Klaren sein, dass Prozessoren je nach ihren Fähigkeiten und ihrer Herstellung mehr oder weniger komplex sein können, von der einfachen Ausführung einer Folge von Binärcodes über die Beleuchtung eines LED-Panels bis hin zur Handhabung großer Mengen von Informationen, einschließlich des Lernens von ihnen (maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz).

Die CPU oder Zentraleinheit in Spanisch ist eine elektronische Schaltung, die die in einem Programm enthaltenen Aufgaben und Anweisungen ausführen kann. Diese Anweisungen sind stark vereinfacht und umfassen grundlegende arithmetische Berechnungen (Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division), logische Operationen (UND, ODER, NICHT, NOR, NAND) und Eingabe- / Ausgabesteuerung (E / A). der Geräte.

Dann ist der Prozessor das Element, das für die Ausführung aller Operationen verantwortlich ist, die die Anweisungen eines Programms bilden. Wenn wir uns in den Standpunkt der Maschine versetzen, werden diese Operationen auf einfache Ketten von Nullen und Einsen reduziert, die als Bits bezeichnet werden und die aktuellen / nicht aktuellen Zustände darstellen, wodurch binäre logische Strukturen gebildet werden, zu denen selbst der Mensch fähig ist. Maschinencode, Assembler oder eine höhere Programmiersprache zu verstehen und zu programmieren.

Die Transistoren, die Schuldigen von allem

Ohne die Transistoren würden Prozessoren nicht existieren, zumindest nicht so klein. Sie sind sozusagen die Grundeinheit eines jeden Prozessors und einer integrierten Schaltung. Es ist ein Halbleiterbauelement, das einen Stromkreis schließt oder öffnet oder ein Signal verstärkt. Auf diese Weise können wir Einsen und Nullen erstellen, die Binärsprache, die die CPU versteht.

Diese Transistoren begannen als Vakuumventile, riesige glühbirnenartige Vorrichtungen, die in der Lage sind, die Kommutierungen des Transistors durchzuführen, jedoch mit mechanischen Elementen im Vakuum. Computer wie der ENIAC oder der EDVAC hatten Vakuumventile anstelle von Transistoren und sie waren immens groß und verbrauchten praktisch die Energie einer kleinen Stadt. Diese Maschinen waren die ersten mit Von Neumann-Architektur.

In den 1950er bis 1960er Jahren wurden jedoch die ersten Transistor-CPUs entwickelt. Tatsächlich war es 1958 IBM, als mit der IBM 7090 die erste Maschine auf Halbleitertransistorbasis entwickelt wurde. Seitdem war die Entwicklung spektakulär. Hersteller wie Intel und später AMD begannen, dank der Intel 8086-CPU die ersten Prozessoren für Desktop-Computer zu entwickeln und die revolutionäre x86-Architektur zu implementieren. Tatsächlich basieren unsere Desktop-Prozessoren auch heute noch auf dieser Architektur. Später werden wir die Teile des x86-Prozessors sehen.

Danach wurde die Architektur immer komplexer, mit kleineren Chips und auch mit der ersten Einführung von mehr Kernen im Inneren und dann mit Kernen, die speziell für die Grafikverarbeitung vorgesehen waren. Sogar ultraschnelle Speicherbänke, die als Cache-Speicher bezeichnet werden, und der Verbindungsbus mit dem Hauptspeicher RAM wurden in diese kleinen Chips eingeführt.

Die externen Teile eines Prozessors

Nach diesem kurzen Überblick über die Geschichte der Prozessoren bis zu unserer Zeit werden wir sehen, welche externen Elemente ein aktueller Prozessor hat. Wir sprechen von physischen Elementen, die berührt werden können und die für den Benutzer sichtbar sind. Dies hilft uns, die physischen und Konnektivitätsanforderungen eines Prozessors besser zu verstehen.

Steckdose

Der CPU-Sockel oder Sockel ist ein elektromechanisches System, das fest auf einer Hauptplatine installiert ist und für die Verbindung des Prozessors mit den anderen Elementen auf der Platine und dem Computer verantwortlich ist. Es gibt verschiedene Grundtypen von Steckdosen auf dem Markt und auch mit vielen verschiedenen Konfigurationen. Es gibt drei Elemente in Ihrem Namen oder Ihrer Bezeichnung, die uns verständlich machen, um welches es sich handelt:

Der Hersteller kann bei PCs Intel oder AMD sein, dies ist einfach zu verstehen. Für die Art der Verbindung gibt es drei verschiedene Arten:

• LGA: (Grid Contact Array) bedeutet, dass die Kontaktstifte im Sockel selbst installiert sind, während die CPU nur über ein flaches Kontaktarray verfügt. PGA: (Gitteranordnung von Stiften), es ist genau das Gegenteil des vorherigen, es ist der Prozessor, der die Stifte hat, und der Sockel die Löcher, um sie einzufügen. BGA: (Ball Grid Array), in diesem Fall wird der Prozessor direkt auf das Motherboard gelötet.

Die letzte Nummer gibt die Art der Verteilung oder die Anzahl der Verbindungsstifte an, die die CPU mit dem Sockel hat. Sowohl bei Intel als auch bei AMD gibt es eine enorme Menge davon.

Substrat

Das Substrat ist im Grunde die Leiterplatte, auf der der Siliziumchip installiert ist, der die elektronische Schaltung der Kerne enthält, die als DIE bezeichnet wird. Bei heutigen Prozessoren ist möglicherweise mehr als eines dieser Elemente separat installiert.

Aber auch diese kleine Leiterplatte enthält die gesamte Matrix der Verbindungsstifte mit der Buchse des Motherboards, die fast immer vergoldet ist, um die Übertragung von Elektrizität zu verbessern, und mit Schutz vor Überlastungen und Stromstößen in Form von Kondensatoren.

DIE

Der DIE ist genau das Quadrat oder der Chip, der alle integrierten Schaltkreise und internen Komponenten eines Prozessors enthält. Optisch wird es als kleines schwarzes Element gesehen, das aus dem Substrat herausragt und Kontakt mit dem Wärmeableitungselement herstellt.

Da sich das gesamte Verarbeitungssystem darin befindet, erreicht der DIE unglaublich hohe Temperaturen und muss daher durch andere Elemente geschützt werden.

IHS

Wird auch als DTS oder Integrated Thermal Diffuser bezeichnet und dient dazu, die gesamte Temperatur der Prozessorkerne zu erfassen und auf den von diesem Element installierten Kühlkörper zu übertragen. Es besteht aus Kupfer oder Aluminium.

Dieses Element ist eine Folie oder Kapselung, die die Matrize von außen schützt und durch Wärmeleitpaste direkt mit ihr in Kontakt kommen oder direkt geschweißt werden kann. Bei benutzerdefinierten Spielgeräten entfernen Benutzer dieses IHS, um Kühlkörper mit Wärmeleitpaste in einer flüssigen Metallverbindung direkt mit dem DIE in Kontakt zu bringen. Dieser Prozess wird als Delidding bezeichnet und dient dazu, die Prozessortemperaturen erheblich zu verbessern.

Kühlkörper

Das letzte Element, das dafür verantwortlich ist, so viel Wärme wie möglich aufzunehmen und an die Atmosphäre zu übertragen. Es handelt sich um kleine oder große Blöcke aus Aluminium und Kupferbasis, die mit Lüftern ausgestattet sind, die die Kühlung der gesamten Oberfläche durch einen erzwungenen Luftstrom durch die Rippen unterstützen.

Jeder PC-Prozessor benötigt einen Kühlkörper, um zu funktionieren und seine Temperaturen unter Kontrolle zu halten.

Nun, dies sind die Teile eines Prozessors von außen. Jetzt werden wir den technischsten Teil sehen, seine internen Komponenten.

Von Neumann Architektur

Die heutigen Computer basieren auf der Architektur von Von Neumann, dem Mathematiker, der 1945 die ersten Computer der Geschichte zum Leben erweckte, ENIAC und seine anderen großen Freunde. Diese Architektur ist im Grunde die Art und Weise, wie die Elemente oder Komponenten eines Computers verteilt werden, so dass sein Betrieb möglich ist. Es besteht aus vier Grundteilen:

• Programm- und Datenspeicher: In diesem Element werden die im Prozessor auszuführenden Anweisungen gespeichert. Es besteht aus Speicherlaufwerken oder Festplatten, RAM mit wahlfreiem Zugriff und Programmen, die die Anweisungen selbst enthalten. Zentraleinheit oder CPU: Dies ist der Prozessor, die Einheit, die alle Informationen steuert und verarbeitet, die vom Hauptspeicher und den Eingabegeräten stammen. Eingabe- und Ausgabeeinheit: Ermöglicht die Kommunikation mit Peripheriegeräten und Komponenten, die an die Zentraleinheit angeschlossen sind. Physisch konnten wir sie als Steckplätze und Anschlüsse unseres Motherboards identifizieren. Datenbusse: sind die Spuren, Spuren oder Kabel, die die Elemente physisch verbinden. In einer CPU sind sie in den Steuerbus, den Datenbus und den Adressbus unterteilt.

Multi-Core-Prozessoren

Bevor wir mit der Auflistung der internen Komponenten eines Prozessors beginnen, ist es sehr wichtig zu wissen, was die Kerne eines Prozessors sind und welche Funktion sie haben.

Der Kern eines Prozessors ist die integrierte Schaltung, die für die Durchführung der erforderlichen Berechnungen mit den durch sie fließenden Informationen verantwortlich ist. Jeder Prozessor arbeitet mit einer bestimmten Frequenz, gemessen in MHz, die die Anzahl der Operationen angibt, die er ausführen kann. Nun, aktuelle Prozessoren haben nicht nur einen Kern, sondern mehrere von ihnen, alle mit denselben internen Komponenten und in der Lage , Anweisungen in jedem Taktzyklus gleichzeitig auszuführen und zu lösen.

Wenn ein Kernprozessor also einen Befehl in jedem Zyklus ausführen kann, wenn er 6 hatte, könnte er 6 dieser Befehle im selben Zyklus ausführen. Dies ist eine dramatische Leistungssteigerung, und genau das tun die heutigen Prozessoren. Wir haben aber nicht nur Kerne, sondern verarbeiten auch Threads, die wie eine Art logischer Kerne sind, durch die die Threads eines Programms zirkulieren.

Besuchen Sie unseren Artikel über: Was sind die Threads eines Prozessors? Unterschiede zu den Kernen, um mehr über das Thema zu erfahren.

Interne Teile eines Prozessors (x86)

Es gibt viele verschiedene Mikroprozessorarchitekturen und -konfigurationen, aber die, die uns interessiert, befindet sich in unseren Computern, und dies ist zweifellos diejenige, die den Namen x86 erhält. Wir könnten es direkt physisch oder schematisch sehen, um es ein wenig klarer zu machen, wissen, dass all dies in der DIE liegt.

Wir müssen bedenken, dass die Steuereinheit, die Arithmetik-Logik-Einheit, die Register und die FPU in jedem der Prozessorkerne vorhanden sein werden.

Schauen wir uns zunächst die wichtigsten internen Komponenten an:

Steuereinheit

Auf Englisch Conrol Unit oder CU genannt, ist es für die Steuerung des Betriebs des Prozessors verantwortlich. Dazu werden Befehle in Form von Steuersignalen an den RAM, die Arithmetik-Logik-Einheit und die Eingabe- und Ausgabegeräte ausgegeben, damit diese wissen, wie die an den Prozessor gesendeten Informationen und Anweisungen zu verwalten sind. Sie sammeln beispielsweise Daten, führen Berechnungen durch und speichern Ergebnisse.

Dieses Gerät stellt sicher, dass die restlichen Komponenten mithilfe von Takt- und Zeitsignalen synchron arbeiten. Praktisch alle Prozessoren haben diese Einheit im Inneren, aber sagen wir, sie befindet sich außerhalb des Kerns der Verarbeitung. Wir können wiederum die folgenden Teile darin unterscheiden:

• Clock (CLK): Es ist für die Erzeugung eines quadratischen Signals verantwortlich, das die internen Komponenten synchronisiert. Es gibt andere Uhren, die für diese Synchronität zwischen Elementen verantwortlich sind, zum Beispiel den Multiplikator, den wir später sehen werden. Programmzähler (CP): Enthält die Speicheradresse des nächsten auszuführenden Befehls. Befehlsregister (RI): Speichert den Befehl, der ausgeführt wird. Sequenzer und Decoder: interpretiert und führt die Befehle über Befehle aus

Arithmetisch-logische Einheit

Sie werden dies sicherlich unter dem Akronym "ALU" kennen. Die ALU ist für die Durchführung aller arithmetischen und logischen Berechnungen mit ganzen Zahlen auf Bitebene verantwortlich. Diese Einheit arbeitet direkt mit den Anweisungen (Operanden) und mit der Operation, zu der die Steuereinheit sie angewiesen hat (Operator).

Die Operanden können entweder aus den internen Registern des Prozessors oder direkt aus dem RAM-Speicher stammen, sie können sogar als Ergebnis einer anderen Operation in der ALU selbst erzeugt werden. Die Ausgabe davon ist das Ergebnis der Operation, ein anderes Wort, das in einem Register gespeichert wird. Dies sind seine grundlegenden Teile:

• Eingangsregister (REN): Sie behalten die zu bewertenden Operanden in sich. Operationscode: Die CU sendet den Bediener, damit die Operation ausgeführt wird. Akkumulator oder Ergebnis: Das Ergebnis der Operation wird aus der ALU als Binärwort- Statusregister (Flag) ausgegeben. Es speichert verschiedene Bedingungen, die während der Operation berücksichtigt werden müssen.

Gleitkommaeinheit

Sie kennen es als FPU oder Gleitkommaeinheit. Grundsätzlich handelt es sich um ein Update der Prozessoren der neuen Generation , das sich auf die Berechnung von Gleitkommaoperationen mit einem mathematischen Coprozessor spezialisiert hat. Es gibt Einheiten, die sogar trigonometrische oder exponentielle Berechnungen durchführen können.

Grundsätzlich ist es eine Anpassung , um die Leistung der Prozessoren in der Grafikverarbeitung zu steigern, wo die durchzuführenden Berechnungen viel schwerer und komplexer sind als in normalen Programmen. In einigen Fällen werden die Funktionen der FPU von der ALU selbst unter Verwendung eines Befehlsmikrocodes ausgeführt.

Aufzeichnungen

Die heutigen Prozessoren haben sozusagen ein eigenes Speichersystem, und die kleinste und schnellste Einheit sind die Register. Grundsätzlich handelt es sich um ein kleines Lagerhaus, in dem die verarbeiteten Anweisungen und die daraus erzielten Ergebnisse gespeichert werden.

Cache-Speicher

Die nächste Speicherebene ist der Cache-Speicher, der auch ein extrem schneller Speicher ist, viel mehr als der RAM-Speicher, der für die Speicherung der Anweisungen verantwortlich ist, die unmittelbar vom Prozessor verwendet werden. Oder Sie werden zumindest versuchen, die Anweisungen zu speichern, von denen Sie glauben, dass sie verwendet werden, da manchmal keine andere Wahl bleibt, als sie direkt aus dem RAM anzufordern.

Der Cache der aktuellen Prozessoren ist in denselben DIE des Prozessors integriert und in insgesamt drei Ebenen unterteilt: L1, L2 und L3:

• Level 1 Cache (L1): Er ist der kleinste nach den Protokollen und der schnellste der drei. Jeder Verarbeitungskern verfügt über einen eigenen L1-Cache, der wiederum in zwei Teile unterteilt ist: die L1-Daten, die für das Speichern der Daten verantwortlich sind, und den L1-Befehl, in dem die auszuführenden Befehle gespeichert sind. Es ist normalerweise jeweils 32 KB. Level 2 Cache (L2) - Dieser Speicher ist langsamer als L2, aber auch größer. Normalerweise hat jeder Kern seinen eigenen L2, der ungefähr 256 KB groß sein kann, aber in diesem Fall ist er nicht direkt in die Kernschaltung integriert. Level 3 Cache (L3): Es ist der langsamste der drei, obwohl viel schneller als RAM. Es befindet sich auch außerhalb der Kerne und ist auf mehrere Kerne verteilt. Es liegt zwischen 8 MB und 16 MB, obwohl es in sehr leistungsstarken CPUs bis zu 30 MB erreicht.

Eingehende und ausgehende Busse

Der Bus ist der Kommunikationskanal zwischen den verschiedenen Elementen , aus denen ein Computer besteht. Sie sind die physischen Leitungen, über die die Daten in Form von Elektrizität, Anweisungen und allen zur Verarbeitung erforderlichen Elementen zirkulieren. Diese Busse können direkt im Prozessor oder außerhalb des Motherboards platziert werden. Es gibt drei Arten von Bussen auf einem Computer:

• Datenbus: sicherlich am einfachsten zu verstehen, da es sich um den Bus handelt, über den die von den verschiedenen Komponenten gesendeten und empfangenen Daten zum oder vom Prozessor zirkulieren. Dies bedeutet, dass es sich um einen bidirektionalen Bus handelt und durch ihn Wörter mit einer Länge von 64 Bit zirkulieren, der Länge, die der Prozessor verarbeiten kann. Ein Beispiel für einen Datenbus sind LANES oder PCI Express Lines, die die CPU mit den PCI-Steckplätzen kommunizieren, beispielsweise für eine Grafikkarte. Adressbus: Der Adressbus zirkuliert keine Daten, sondern Speicheradressen, um zu lokalisieren, wo sich die im Speicher gespeicherten Daten befinden. RAM ist wie ein großer Datenspeicher, der in Zellen unterteilt ist, und jede dieser Zellen hat ihre eigene Adresse. Es ist der Prozessor, der den Speicher nach den Daten fragt, indem er eine Speicheradresse sendet. Diese Adresse muss so groß sein, wie Zellen den RAM-Speicher haben. Derzeit kann ein Prozessor Speicheradressen von bis zu 64 Bit adressieren, dh wir können Speicher von bis zu 2 ⁶⁴ Zellen verarbeiten. Steuerbus: Der Steuerbus ist für die Verwaltung der beiden vorherigen Busse zuständig und verwendet Steuer- und Zeitsignale, um alle Informationen, die zum oder vom Prozessor zirkulieren, synchron und effizient zu nutzen. Es wäre wie der Flugsicherungsturm eines Flughafens.

BSB, Eingabe- / Ausgabeeinheit und Multiplikator

Es ist wichtig zu wissen, dass die aktuellen Prozessoren nicht über den herkömmlichen FSB oder Front Bus verfügen, der dazu diente, die CPU mit den übrigen Elementen des Motherboards, z. B. Chipsatz und Peripheriegeräten, über die Nordbrücke und die Südbrücke zu kommunizieren. Dies liegt daran, dass der Bus selbst als E / A-Datenverwaltungseinheit (Input and Output) in die CPU eingefügt wurde, die den RAM direkt mit dem Prozessor kommuniziert, als wäre es die alte Nordbrücke. Technologien wie AMDs HyperTransport oder Intels HyperThreading sind für die Verwaltung des Informationsaustauschs auf Hochleistungsprozessoren verantwortlich.

Der BSB oder Back Side Bus ist der Bus, der für die Verbindung des Mikroprozessors mit seinem eigenen Cache-Speicher zuständig ist, normalerweise dem von L2. Auf diese Weise kann der Frontbus von einer ziemlichen Last befreit werden und so die Geschwindigkeit der Caches noch näher an die Geschwindigkeit des Kerns bringen.

Und schließlich haben wir die Multiplikatoren, eine Reihe von Elementen innerhalb oder außerhalb des Prozessors, die für die Messung der Beziehung zwischen dem CPU-Takt und dem Takt der externen Busse verantwortlich sind. Zu diesem Zeitpunkt wissen wir, dass die CPU über Busse mit Elementen wie RAM, Chipsatz und anderen Peripheriegeräten verbunden ist. Dank dieser Multiplikatoren ist es möglich, dass die CPU-Frequenz viel schneller ist als die externen Busse, um mehr Daten verarbeiten zu können.

Ein Multiplikator von x10 ermöglicht es beispielsweise einem System, das mit 200 MHz arbeitet, mit 2000 MHz auf der CPU zu arbeiten. In aktuellen Prozessoren können wir Einheiten mit freigeschaltetem Multiplikator finden, was bedeutet, dass wir seine Frequenz und damit seine Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöhen können. Wir nennen das Übertakten.

IGP oder interne Grafikkarte

Um mit den Teilen eines Prozessors fertig zu werden, können wir die integrierte Grafikeinheit, die einige von ihnen tragen, nicht vergessen. Bevor wir gesehen haben, was eine FPU ist, und in diesem Fall stehen wir vor etwas Ähnlichem, aber mit viel mehr Leistung, da es sich im Grunde genommen um eine Reihe von Kernen handelt, die in der Lage sind, die Grafiken unseres Teams unabhängig zu verarbeiten, was für mathematische Zwecke der Fall ist Eine enorme Menge an Gleitkommaberechnungen und Grafik-Rendering, die sehr prozessorintensiv wären.

Das IGP hat die gleiche Funktion wie eine externe Grafikkarte, die wir über den PCI-Express-Steckplatz installiert haben, nur in kleinerem Maßstab oder mit geringerer Leistung. Es wird als integrierter Grafikprozessor bezeichnet, da es sich um eine integrierte Schaltung handelt, die im selben Prozessor installiert ist und die Zentraleinheit von dieser Reihe komplizierter Prozesse entlastet. Es ist nützlich, wenn wir keine Grafikkarte haben, aber im Moment keine vergleichbare Leistung.

Sowohl AMD als auch Intel verfügen über Einheiten, die IGP in die CPU integrieren und daher als APU (Accelerated Processing Unit) bezeichnet werden. Ein Beispiel dafür ist fast der gesamte Intel Core der i-Familie, zusammen mit dem AMD Athlon und einigen Ryzen.

Fazit seitens eines Prozessors

Nun, wir kommen zum Ende dieses langen Artikels, in dem wir mehr oder weniger grundlegend sehen, was die Teile eines Prozessors sind, sowohl von außen als auch von innen. Die Wahrheit ist, dass es ein sehr interessantes Thema ist, aber verdammt komplex und lang zu erklären, dessen Details für fast alle von uns, die nicht in die Montagelinien und Hersteller dieses Gerätetyps eingetaucht sind, unverständlich sind.

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